Обычно понятие «программируемый логический контроллер» (ПЛК, Programmable logic controllers, PLC) подразумевает блочно-модульную систему универсального назначения, построенную на основе микропроцессора. Как правило, ПЛК содержит центральный процессор, преобразователь напряжения, различную периферию для работы с коммуникационными и беспроводными интерфейсами, а также входы и выходы для взаимодействия с внешними устройствами. Обобщенная структурная схема ПЛК показана на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПЛК (PLC)
Все имеющиеся на борту контроллера входы и выходы можно разделить на три класса: аналоговые, дискретные и специальные. Аналоговые входы ПЛК служат для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других внешних устройств. Аналоговые сигналы делятся на два типа: сигналы по току (4–20 мА) и сигналы по напряжению (от 0–10 В). Аналоговые выходы ПЛК, в свою очередь, служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). Примеры использования аналоговых входов/выходов приведены на рис. 2.
Рис. 2. Применение аналоговых входов и выходов ПЛК
В мире преобразователей линейных перемещений царствует аналоговый выходной сигнал. Конечно, на рынке присутствуют и цифровые типы интерфейса, например, такие как: SSI, START/STOP, различные варианты полевых шин и так далее. Однако, датчики линейных перемещений с аналоговыми выходами составляют около 70% всех проданных преобразователей. При заказе датчика линейного положения с аналоговым интерфейсом, как правило, выбор сводится всего к двум вариантам: выход по напряжению 0-10 В или токовый выход 4-20 мА. И здесь уже дело вкуса каждого инженера, какой выбрать сигнал из двух наиболее популярных и распространенных. Сигнал 0-10 В будет понимать почти каждый промышленный контроллер на планете, тем не менее у него есть некоторые недостатки. Все аналоговые сигналы восприимчивы к электрическим помехам и 0-10 В не является исключением, такие устройства как: двигатели, источники питания, мощные реле и т.п. могут вызывать помехи на сигнальных линиях, которые ухудшают сигнал 0-10 В. Кроме всего, выход 0-10 В особенно чувствителен к сопротивлению проводки, что предъявляет дополнительные требования к длине и качеству используемого кабеля.Выход 4-20 мА (или 0-20 мА) с другой стороны, обеспечивает повышенную устойчивость к электрическим помехам и имеет малые потери сигнала при использовании очень длинных кабелей, он способен без потерь передаваться на сотни и сотни метров. К тому же большинство современных промышленных контроллеров принимают аналоговые токовые сигналы. В качестве дополнительного бонуса, сигнал 4-20 мА обеспечивает обнаружение состояния ошибки, так как сигнал, даже на самом низком значении, по-прежнему активен. То есть в крайнем положении «ноль» датчик по-прежнему выдает сигнал 4 мА и если значение когда-либо переходит в 0 мА, то с прибором явно что-то не так. Этого нельзя сказать для датчиков с выходом 0-10 В, поскольку значение «ноль» вольт может означать как нулевое положение, так и то, что Ваш датчик просто перестал функционировать.Во многих случаях, преобразователи линейных перемещений с выходом 4-20 мА могут быть немного дороже, по сравнению с датчиками 0-10 В. Но постепенно разница в цене становится все меньше, поскольку популярность аналогового выходного сигнала 4-20 мА растет и датчиков с данным типом выхода производится и продается все больше и больше. В нашем каталоге преобразователей линейных перемещений можно подобрать и купить датчики с аналоговыми выходами 4-20 мА, 0-10 В и их вариациями, а так же с популярными цифровыми интерфейсами.
Удивляют меня такие рассуждения.
Вы уверены, что обладаете достаточной компетенцией, чтобы быть объективным?
Вообще-то 256 уровней теоретически дают возможность установить требуемое напряжение с погрешностью не более 0.2%.
Уровней 255, а погрешность 0.4%, если уж быть совсем точным, но только здесь это ничего особо и не значит.
Обеспечивает ли такую точность/стабильность источник питания? Ведь если в АЦП используется тсточник опорного напряжения, который можно сделать довольно точным, то в случае ШИМ никакого источника опорного напряжения нет
Это вам кто такое сказал? Есть там опорник или нет, зависит исключительно от того, кто схему составлял. У вас нет, а у меня есть:
Инвертор U2:A получает питание с выхода опорника REF02, что в общем случае обеспечивает требования по точности и стабильности.
Можно ли здесь говорить о точности, которая хотя бы приближается к 0.2%?
Вместо REF02 может быть использован опорник с такой точностью, какая требуется. Берем REF5050 и получаем 0.05% и 3ppm/C, если REF02 вдруг не устраивает.
А падение напряжения на выходных ключах, включая зависимость от температуры и отдаваемого в нагрузку тока?
Рассчитывается строго по закону ома. Падение напряжения = ток * сопротивление канала в ключе. Сопротивление канала мосфетов выходного каскада даташит не приводит, но обычно речь идет где-то о долях ома. Фиг с ним, посчитаем, что как у 2n7002, сопротивление равно 5 ом. Это чтобы накрыть все мыслимые и немыслимые температурные флуктуации. Теперь про ток: если бы резистор R3 был воткнут прямо в землю, то ток в цепи составил бы 15мка и падение на ключах было бы 1,5E-5 * 5 = 75мкв, но резистор у нас подключен к операционнику и ток в цепи определяется исключительно таким параметром ОУ, как “Input Bias Current”, который для того же LM358, скажем, равен 45 наноампер. Считаем: падение напряжение = 45 нА * 5 Ом = 225 нВ. Если эта величина придирчивому ардуинщику кажется слишком большой и неприемлемой, можно взять операционник с меньшим значением входного тока. Для CMOS-операционников характерны токи в единицы и доли пикоампера. “Падение напряжения на выходных ключах”, о котором вы печалитесь, будет измеряться тогда в пиковольтах.
Угу. Дальше еще хуже.
Вот есть у нас ШИМ на килогерц, которым якобы можно установить напряжение с точностью до 1/6 мВ. Вопрос – когда?
Для подавления пульсаций сглаженного шим-сигнала существуют разные техники, одну из которых я упоминал тут. Нехитрое решение с подмешиванием компенсирующего “продифференцированного” сигнала позволяет в сотни раз снизить пульсации и лишь незначительно повлиять на время установления.
А это почти двенадцать с половиной минут. Т.е. выставили на табло желаемое напряжение и ждем четверть часа, когда наша схема его обеспечит. Притом, только в теории (см. первый абзац).
Это, если в теориях совсем не разбираться.
Когда мне потребовалось отхарактеризовать кучку разных операционников, которые пришли с али, (типа, проверить на подобие оригиналу), я спаял на макетке двухканальный PWM-DAC на базе про-мини, с помощью которого получил два независимых источника образцового напряжения 0 – 5в с шагом регулировки 1мв.
Время установления точно не измерял, но по ощущениям, никак не больше секунды. “Двенадцать с половиной минут” пусть ждет тот, у кого с теорией никак и со схемотехникой все плохо.
Вот думаю, мож в проектах отдельную ветку сделать? Слишком уж часто по поводу PWM-DAC приходится слушать откровенные глупости.
TIDA-01434
TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.
Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434
Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.
В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.
При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.
TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или многоканального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.
Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).
Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434
Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).
Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969
Аналоговые выходы
В соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012 аналоговый выход (analogue output) — это устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таблице 4.
В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов включает ряд звеньев (рис. 10): цифровые данные, поступающие от центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку смещения, опорного напряжения и усиления.
Рис. 10. Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК
ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах, должны соответствовать строгим электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4–20 мА и 0–10 В), работать со стандартным в этой сфере диапазоном напряжений (12–32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.
Одним из таких ЦАПов является DAC8775 от компании Texas Instruments (рис. 11).
Рис. 11. Структурная схема DAC8775
На базе данного цифро-аналогового преобразователя компанией Texas Instruments был выпущен модуль TIPD215.
Аналоговый вход как цыфровой.
Понимаю что тупой вопрос, но элементарно на пльцах: читать A0 как High или low, понимаю что нужно понимать что подразумевается 0 или 1 и то что скорость считывания меньше чем на цифровом . В схеме подтягивающий резистор на землю на 10кОм есть (возможно его мало?). ардуино читает всегда high. (по крайней мере в протеусе ибо только начиню ваять ) Что не находил в инете – нету вообще и слова об этом. Значит вопрос реально тупой..((
– перебросил на цифровые, так будет проще но все же для понимая-
TIPD215
TIPD215 представляет собой аналоговый 4-канальный модуль (рис. 12) на базе DAC8775 с интегрированным преобразователем LM5166, благодаря которому общая рассеиваемая мощность (при задействовании всех четырех каналов, по 20мА на канал) составляет менее 1 Вт.
Рис. 12. Внешний вид модуля TIPD215
Модуль TIPD215 работает с входным напряжением в диапазоне 12,5–40 В и генерирует на выходе четыре независимых источника, которые можно использовать для контроля за подключенной периферией (рис. 13).
Рис. 13. Схема включения модуля TIPD215
К особенностям модуля TIPD215 стоит отнести:
Построенный на базе DAC8775 модуль обладает высокими параметрами надежности: встроенные в DAC8775 средства диагностики способны находить обрывы и короткие замыкания нагрузки, вести мониторинг температуры кристалла, вычислять циклические суммы, с помощью сторожевого таймера контролировать зависание шины SPI и проверять соответствие границ напряжения питания заданным значениям. Кроме того, разработчикам предоставляется возможность программировать способы реакции устройства на аварийные ситуации, что, в свою очередь, значительно упрощает процесс выявления неполадок системы на ранних стадиях и помогает обеспечить высокую надежность ее функционирования.
Также модуль TIPD215 обладает высоким КПД и малым временем отклика. В устройство заложены инновационные возможности самообучения, позволяющие вычислять импеданс нагрузки токовой петли 4–20 мА и динамически снижать напряжение источника питания, благодаря чему уменьшается время установления и достигается эффективный баланс между КПД и скоростью отклика.
Для обеспечения генерации биполярного напряжения в цепь DAC8775 включена индуктивность величиной 100 мкГн. Данная индуктивность рассчитана на коммутацию максимально возможного значения тока 500 мA и может быть уменьшена до 80 мкГн, однако в таком случае это снизит эффективность конвертера и увеличит пульсации на выходе.
Аналоговые входы
Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, аналоговый вход (analogue input) — это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.
В общем случае измерительный тракт системы обработки аналоговых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 3): входной сигнал, получаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку.
Рис. 3. Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК
Однако в зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:
Мультиплексоры в тракте служат для выборки одного из нескольких входных каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по защите от высоковольтных электростатических разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения на входах, способен устранить необходимость использования внешних схем, таких как делители напряжения и оптоэлектронные реле. При этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала (RON), поскольку они позволяют обеспечить малые искажения сигналов, улучшив тем самым надежность системы, а также низкие токи утечки, критичные для минимизации ошибок измерения напряжений. К мультиплексорам, применимым в подобных трактах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 производства Texas Instruments. Данные устройства способны работать с напряжениями 10–36 В (рис. 4).
Рис. 4. Пример подключения мультиплексора к АЦП
Уровень выходного сигнала с датчика может быть очень низким или очень высоким, что для максимизации динамического входного диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттенюаторов соответственно. Эти предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизионных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тандеме, чтобы обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум (SNR) при заданных ограничениях по стоимости, размерам и потребляемой мощности. Компания Texas Instruments предлагает широкий спектр усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA281, PGA112), инструментальных усилителей (INA188, INA826), а также операционных усилителей семейства OPA (OPA320, OPA2196, OPA2320, OPA196, OPA191). Пример подключения PGA281 приведен на рис. 5.
Рис. 5. Пример подключения усилителя PGA281 к АЦП
Реализация аналоговых входов по описанным выше схемам достаточно сложна с практической точки зрения, а необходимость использования множества компонентов увеличивает габариты конечного решения. Альтернативой в этом случае может послужить АЦП с интегрированными каскадами предварительной обработки.
Ведущие производители АЦП выпускают специализированные преобразователи для применения в аналоговых модулях ПЛК. Такие преобразователи, как правило, представляют собой многоканальные системы сбора данных на кристалле и содержат множество функциональных модулей: источники тока, программируемые усилители, входы/выходы общего назначения, источники опорного напряжения, блоки достоверности данных и т. д. Примером таких преобразователей являются ADS124S06 и ADS124S08, не так давно выпущенные компанией Texas instruments.
ADS124S06 и ADS124S08 — это высокоточные сигма-дельта АЦП с разрядностью 24 бит и низким энергопотреблением (рис. 6).
Рис. 6. Структурная схема ADS124S08
Данные АЦП имеют в своем составе шесть (ADS124S06) и двенадцать (ADS124S08) мультиплексированных каналов, устройства выборки и хранения, программируемые усилители, цифровые фильтры, а также устройства мониторинга различных системных параметров, в том числе и температурный датчик.
Благодаря встроенным усилителям PGA, ADS124S06 и ADS124S08 не нуждаются во внешних схемах усиления. Усилитель PGA позволяет выбирать усиление в пределах 1–128.
На кристалле данных АЦП расположен ИОН — прецизионный блок с низким дрейфом, откалиброванный производителем до 2,5 В. На соответствующем контакте Vref внутренний ИОН может быть подавлен внешним (внешний ИОН может быть в диапазоне 2,3 В — Vref). Кроме того, ADS124S06 и ADS124S08 оснащены настраиваемыми цифровыми фильтрами с низкой задержкой преобразования и частотой 50 или 60 Гц для работы в промышленных средах с высоким уровнем шума, что в совокупности с ранее описанными особенностями делает их прекрасным решением для применения в ПЛК. Обобщенные характеристики этих АЦП приведены в таблице 2.
Для примера реализации аналоговых входов на базе ADS124S08 компания Texas Instruments выпустила опорный дизайн TIDA-01434.
Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации аналоговых входов и выходов
Компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкий перечень всевозможных решений для упрощения процесса реализации аналоговых входов и выходов (табл. 6).
Заключение
В создании автоматизированных систем на базе ПЛК правильное построение аналоговых входов и выходов является одной из главных задач: от разработчика требуется следование ГОСТ IEC 61131-2-2012, точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение необходимого уровня защиты с соблюдением стоимостных и габаритных характеристик конечного продукта. Компания Texas Instruments предоставляет специалистам весь необходимый перечень компонентов и модулей для простого и быстрого выполнения данной задачи.
